專利名稱：直列式光雙向鏈路的制作方法
現(xiàn)在公開(kāi)的發(fā)明涉及一個(gè)共線雙向鏈路，它利用一個(gè)在一個(gè)波長(zhǎng)上進(jìn)行檢測(cè)而對(duì)第二個(gè)波長(zhǎng)透明的PIN檢測(cè)器。
光纖的較大帶寬和低傳輸損耗與光學(xué)設(shè)備的高速能力一起導(dǎo)致了通信工業(yè)的高數(shù)據(jù)率傳輸系統(tǒng)的發(fā)展?；诠鈱W(xué)原理的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使收發(fā)機(jī)組件演變?yōu)槎喾N形式，它們都能完成在光頻上同時(shí)發(fā)送和接收的雙向通信(全雙工)，或者順序地發(fā)送和接收(半雙工)。
總的來(lái)說(shuō)，基于收發(fā)機(jī)的系統(tǒng)應(yīng)用兩根光纖來(lái)達(dá)到這個(gè)目的，一根用于從組件的發(fā)送機(jī)端發(fā)送光信號(hào)，另一根用于接收機(jī)端接收光信號(hào)。最近，人們的興趣集中在利用一根光纖既作發(fā)送又作接收光信號(hào)的收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)。利用一根光纖達(dá)到此目的的組件在此稱作雙向組件。一般分為兩種子類型，在同一個(gè)波長(zhǎng)上既發(fā)送又接受光射線的系統(tǒng)，和利用一個(gè)波長(zhǎng)在一個(gè)方向上發(fā)送和另一個(gè)波長(zhǎng)在相反方向接收的雙波長(zhǎng)系統(tǒng)。這些分別被稱作單波長(zhǎng)雙向和雙波長(zhǎng)雙向?，F(xiàn)在公開(kāi)的是指后一種。
雙波長(zhǎng)雙向組件的光學(xué)設(shè)計(jì)的常規(guī)技術(shù)典型地利用一個(gè)半導(dǎo)體光源如LED或注入式激光器，一個(gè)半導(dǎo)體光檢測(cè)器如PIN光檢測(cè)器或APD，一個(gè)分光束元件，此外還有濾波器和光學(xué)聚焦元件。常規(guī)的雙波長(zhǎng)雙向組件，如授予Althaus等人的U.S.專利5127075所公開(kāi)的那樣，該公開(kāi)內(nèi)容作為參考在這里被專門(mén)地包括進(jìn)來(lái)。分光束元件被用于在空間上分離進(jìn)來(lái)的與出去的光信號(hào)，并把從光源出去的發(fā)送信號(hào)引導(dǎo)到光纖中，而把從光纖中進(jìn)來(lái)的信號(hào)引導(dǎo)到檢測(cè)器中。分光濾波器可以用于阻止光源射線到達(dá)檢測(cè)器和阻止從光纖來(lái)的信號(hào)到達(dá)光源。在某些設(shè)計(jì)中，濾波器功能被制作在分光束元件中。聚焦元件用來(lái)使光源與光纖之間和光纖與檢測(cè)器之間的耦合達(dá)到最大。本公開(kāi)文件提出一個(gè)檢測(cè)器和光源的直列式配置，它能通過(guò)組件中的光檢測(cè)器的特殊設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
光檢測(cè)器的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，由于光纖到戶(fiber to the home，(即FTTH))應(yīng)用的可能出現(xiàn)，其應(yīng)用的需求不斷增加。其中一個(gè)應(yīng)用就是在收發(fā)機(jī)方式中，尤其在雙向鏈路中。雖然一些雙向鏈路是以封裝在外殼里的相互正交的器件的形式出現(xiàn)的，它們帶有波長(zhǎng)選擇光學(xué)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)從LED或激光器發(fā)送一個(gè)波長(zhǎng)和接收另一個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)入檢測(cè)器，但這些配置經(jīng)常是不希望的。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其缺點(diǎn)是需要對(duì)光纖、設(shè)備和光學(xué)設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)，這需要費(fèi)時(shí)費(fèi)工的勞動(dòng)，從而帶來(lái)了高成本。此外，這些設(shè)備需要分束和/或?yàn)V波器元件以確保信號(hào)被正確地從發(fā)射機(jī)引導(dǎo)過(guò)來(lái)和引導(dǎo)到檢測(cè)器設(shè)備中去。推動(dòng)FTTH的發(fā)展需要低成本產(chǎn)品。
一個(gè)實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單從而更低成本產(chǎn)品的途徑是制造直列式雙向鏈路。在授給Forrest等人的U.S.專利4577209中，該公開(kāi)內(nèi)容作為參考在這里被專門(mén)地包括進(jìn)來(lái)，被公開(kāi)的雙向鏈路是中央部分有孔以插入光學(xué)聚焦元件光纖的PIN檢測(cè)器。LED或其他光源通過(guò)PIN檢測(cè)器上的小孔與光纖進(jìn)行通信，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙向鏈路。在這個(gè)文獻(xiàn)中被公開(kāi)的這個(gè)鏈路是基于單獨(dú)的一個(gè)波長(zhǎng)，并試圖減小在一個(gè)方向上行進(jìn)的光線從系統(tǒng)中的光反射界面被反射所造成的有害影響。這將導(dǎo)致信號(hào)干擾和串光。涉及’209文獻(xiàn)的U.S.專利4709413(其公開(kāi)內(nèi)容作為參考在這里也被專門(mén)地包括進(jìn)來(lái))像’209文獻(xiàn)一樣試圖在單波長(zhǎng)雙向鏈路中提供信號(hào)或信道分離。
這兩個(gè)文獻(xiàn)都需要一個(gè)刻在檢測(cè)器上的小孔以連接光源，在一個(gè)具體實(shí)施例中，小孔具有耦合組件，比如是安放在該處的光纖，并有檢測(cè)器的一個(gè)有源區(qū)，它被設(shè)計(jì)成能捕獲從光纖出來(lái)而入射其上的所有光線。這個(gè)文獻(xiàn)的系統(tǒng)試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙向鏈路，用以提供在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間良好的隔離。然而，這些文獻(xiàn)中公開(kāi)的系統(tǒng)不是設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)用多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行通信的，不能達(dá)到在一個(gè)多波長(zhǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的隔離度。這些系統(tǒng)需要使光纖對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的有源區(qū)以使到達(dá)檢測(cè)器有源區(qū)的入射光線最多，并且還需要光源到耦合元件或光纖的開(kāi)放端的對(duì)準(zhǔn)。重申一下，文獻(xiàn)中專利的發(fā)明不能達(dá)到信號(hào)的隔離，而且需要對(duì)系統(tǒng)中各種構(gòu)件進(jìn)行費(fèi)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)工作。所需要的是一個(gè)實(shí)現(xiàn)能隔離發(fā)送和接收信號(hào)的系統(tǒng)，優(yōu)選地是在一個(gè)直列式系統(tǒng)中用一個(gè)光波長(zhǎng)發(fā)送信號(hào)，一個(gè)光波長(zhǎng)接收信號(hào)。此外，所需要的是一個(gè)不要求大量光學(xué)耦合元件的系統(tǒng)，因此不要求光學(xué)上的對(duì)準(zhǔn)或復(fù)雜的制造技術(shù)。
現(xiàn)在公開(kāi)的這個(gè)發(fā)明是一個(gè)直列式雙向光纖鏈路，它在一個(gè)光波長(zhǎng)上發(fā)射而在另一個(gè)光波長(zhǎng)上接收。這個(gè)鏈路被預(yù)期是一個(gè)低成本收發(fā)機(jī)單元，作為許多在主收發(fā)機(jī)站和大量的終端用戶之間這樣的鏈路中的一個(gè)。例如，設(shè)備可以很好地作為低成本收發(fā)機(jī)用在FTTH應(yīng)用中，也可以是許多其他這樣的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)想要的低成本收發(fā)機(jī)鏈路，PIN二極管被制成有一個(gè)InxGa1-xAsyP1-y本征層而不是通常的InxGa1-xAs本征層，它被設(shè)計(jì)成具有與大約1.4微米的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的帶隙。與這個(gè)檢測(cè)器對(duì)齊的是一個(gè)在大約1.55微米上發(fā)射光的光源。因此，檢測(cè)器將從光纖中例如在1.3微米上接收光，但對(duì)從發(fā)送機(jī)中發(fā)射的光實(shí)際上將是透明的。最后，一個(gè)集成聚焦元件被用于實(shí)現(xiàn)光纖到光源設(shè)備的耦合。
本發(fā)明的一個(gè)目的是要有一個(gè)能提供在發(fā)送和接收信號(hào)之間的高隔離度的直列式雙向光鏈路。
本發(fā)明的一個(gè)特征是具有一個(gè)光檢測(cè)器，它在一個(gè)波長(zhǎng)即接收波長(zhǎng)上進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)另一個(gè)波長(zhǎng)即發(fā)送波長(zhǎng)則是透明的。
本發(fā)明的進(jìn)一步的特征是具有一個(gè)PIN光檢測(cè)器，它有一個(gè)本征層，被制造成具有能吸收接收波長(zhǎng)而對(duì)發(fā)送波長(zhǎng)透明的能量帶隙。
本發(fā)明的進(jìn)一步的特征是具有一個(gè)與光檢測(cè)器集成在一起的光學(xué)耦合元件，它把光從發(fā)送光源耦合進(jìn)入光纖。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有一個(gè)可以不用分束或?yàn)V波功能而實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離的雙向鏈路。


圖1是常規(guī)PIN光檢測(cè)器的能帶圖。
圖2是典型PIN光檢測(cè)器的剖面視圖。
圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)的剖面視圖。
圖4是本發(fā)明的PIN光檢測(cè)器的剖面視圖。
圖5是本發(fā)明的制作步驟的剖面視圖。
圖6a是常規(guī)PIN檢測(cè)器的對(duì)于入射波長(zhǎng)的相對(duì)響應(yīng)曲線6b是本發(fā)明的波長(zhǎng)選擇PIN檢測(cè)器的對(duì)于入射波長(zhǎng)的相對(duì)響應(yīng)曲線圖。
轉(zhuǎn)向圖3，我們看本鏈路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。波長(zhǎng)選擇檢測(cè)器301上配置一個(gè)集成透鏡302。從光源發(fā)射的光信號(hào)通過(guò)透鏡302被耦合到光纖304。這里描述了基本的發(fā)送功能。如上所簡(jiǎn)述的而且后面還將有更詳細(xì)的描述，檢測(cè)器301對(duì)從光源發(fā)射的光是透明的。例如，這個(gè)光的波長(zhǎng)為1.55微米。在作為接收機(jī)的方式中，檢測(cè)器301將檢測(cè)小于一個(gè)閾值的波長(zhǎng)的光。此外，檢測(cè)器301有一個(gè)檢測(cè)區(qū)，它遠(yuǎn)大于從光纖302發(fā)射的入射光線的面積。因此，這個(gè)光實(shí)質(zhì)上都被檢測(cè)器吸收，處在接收波長(zhǎng)上的光不會(huì)入射到光源上，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)光源產(chǎn)生不利影響。正如能被期望的那樣，本雙向鏈路的設(shè)計(jì)能使從發(fā)送光源303來(lái)的光以最小的串光經(jīng)過(guò)檢測(cè)器301而被發(fā)送。另一方面，在檢測(cè)器上從光纖中接收的光被檢測(cè)器吸收，不會(huì)照射到光源303上。上面描述了基本的裝置和功能，其他配置也是可能的。優(yōu)選地，光源是一個(gè)邊緣發(fā)射的激光器或LED，然而，面發(fā)射設(shè)備如垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)也可以在配置中使用。在這種情況下，VCSEL可以就設(shè)在檢測(cè)器上。檢測(cè)器301是一個(gè)PIN檢測(cè)器，它具有n+-InP襯底、本征InxGa1-xAsyP1-y層和InP層，在該層中有選擇地?cái)U(kuò)散了例如鋅這樣的受主作用劑以形成P+層。制造的細(xì)節(jié)將在后面說(shuō)明。正如所示，透鏡302優(yōu)選地與檢測(cè)器集成在一起并使之凹進(jìn)去，可以利用如已轉(zhuǎn)讓給本受讓者的授予Watson等人的U.S.專利4797179中所描述的技術(shù)來(lái)制造。其公開(kāi)內(nèi)容作為參考在這里被專門(mén)地包括進(jìn)來(lái)。在檢測(cè)器上制造一個(gè)全息聚焦元件也是可行的。為此，檢測(cè)器襯底的較低層上被沉積一層非晶態(tài)SiO2。然后一層光刻膠被旋轉(zhuǎn)涂覆成能實(shí)現(xiàn)全息圖(hologram)中想要的光柵的形式。制造全息圖的較好的技術(shù)是已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的U.S.專利申請(qǐng)08/198028等中所描述的。這個(gè)申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容作為參考在這里也被專門(mén)地包括進(jìn)來(lái)，雖然上面提到的這個(gè)申請(qǐng)描述的是在硅片上的制造技術(shù)，但這個(gè)技術(shù)也可以被用在本發(fā)明的襯底上。因此全息圖可以被用作從激光器/LED到光纖304的光學(xué)耦合而不用折射透鏡。
在圖4中，所示為波長(zhǎng)選擇檢測(cè)器的剖面簡(jiǎn)圖，它可以按下述方式被制造。與晶格相匹配的外延層結(jié)構(gòu)可以用象MOCVD、VPE、LPE或MBE的常規(guī)技術(shù)生長(zhǎng)，該結(jié)構(gòu)包括n摻雜InP緩沖層401(0.3-3微米厚)，不摻雜InxGal1-xAsyP1-y本征層(1.5-3.0微米厚)402；和不摻雜InP或InxGa1-xAsyP1-y頂層(0.5--1.0微米厚)403。在使用InxGa1-xAsyP1-y頂層403的情況下，帶隙被調(diào)整到大于1.0eV。本征層402的帶隙被調(diào)整到具有與1.4微米的標(biāo)稱波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的0.89eV的標(biāo)稱值。在外延層生長(zhǎng)步驟之后，熟練人員所知的常規(guī)PIN晶片制造技術(shù)被用來(lái)完成器件的結(jié)構(gòu)。典型的制造順序如圖5所示。
轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)看圖4，我們看到在其上制作有透鏡407的器件。正如所述，利用上面提到在授予Watson等人的專利中公開(kāi)的技術(shù)來(lái)使透鏡生長(zhǎng)。在這個(gè)技術(shù)中一個(gè)凹集成透鏡被制造在LED的襯底一側(cè)，如其中所述。然而，這個(gè)同樣的技術(shù)可以被用于制造本PIN檢測(cè)器的襯底一側(cè)的同一凹透鏡結(jié)構(gòu)407，如圖4所示。然后一個(gè)防反射涂層用常規(guī)技術(shù)被沉積，正如所示。
圖6a是標(biāo)準(zhǔn)PIN檢測(cè)器作為入射光波長(zhǎng)函數(shù)的響應(yīng)曲線的圖示，波長(zhǎng)可選擇的PIN檢測(cè)器的典型響應(yīng)曲線如圖6b所示。如圖中所示，標(biāo)準(zhǔn)PIN檢測(cè)器將既在1.3微米上也在1.55微米上檢測(cè)光，這是因?yàn)樵谶@些波長(zhǎng)上的光量子足夠把光檢測(cè)器的光敏本征層中的電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶上。因此，這樣的一種檢測(cè)器不適于在如本發(fā)明的直列式雙波長(zhǎng)鏈路使用。然而，本發(fā)明的波長(zhǎng)可選擇的PIN檢測(cè)器在1.3微米是光敏的而在1.55微米是透明的，如圖6b所示。這應(yīng)歸因于比起常規(guī)檢測(cè)器的InxGa1-xAs的0.75eV的帶隙有更大帶隙的InxGa1-xAsyP1-y本征層。波長(zhǎng)為1.3微米的光量子具有激發(fā)價(jià)帶電子到導(dǎo)帶所需要的能量，而1.55微米波長(zhǎng)光的光量子則沒(méi)有。因此，1.55微米光不被吸收，這個(gè)檢測(cè)器對(duì)這個(gè)光是透明的。因此具有這些特征的檢測(cè)器可以擔(dān)當(dāng)上述雙向鏈路中的功能。
雖然這個(gè)發(fā)明參考了帶有PIN光檢測(cè)器的雙向鏈路的特定實(shí)施例而被展示和描述在此，這個(gè)PIN光檢測(cè)器有一個(gè)四元素材料的本征層，這種材料對(duì)1.55微米光透明而對(duì)1.3微米的光是光敏的，但是很明顯，普通的技術(shù)人員將能理解其改動(dòng)和變化而并不離開(kāi)本發(fā)明的基本主題和精神。
權(quán)利要求
1.一個(gè)雙向光鏈路，包括一個(gè)用來(lái)發(fā)射光的光源，一個(gè)用來(lái)檢測(cè)光的光檢測(cè)器，用來(lái)把光從上述光源傳送到上述光檢測(cè)器的光纖，上述光檢測(cè)器、光源、和光纖基本上按直線排列，其特征在于上述光源在第一個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)光而上述光檢測(cè)器在第二個(gè)波長(zhǎng)上接收光。
2.如權(quán)利要求1中所述的雙向光鏈路，其進(jìn)一步的特征在于，上述鏈路具有用來(lái)將光從上述光源光耦合到上述光纖的設(shè)備。
3.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光鏈路，其進(jìn)一步的特征在于，在上述光檢測(cè)器上形成一個(gè)折射透鏡，用來(lái)將光從上述光源耦合到上述光纖。
4.一個(gè)雙向光鏈路，包括用來(lái)發(fā)射光的光源，一個(gè)基本上與上述光源成直線排列的、用來(lái)檢測(cè)光的光檢測(cè)器，用于在上述光檢測(cè)器和上述光源之間進(jìn)行光通信的光纖，其特征在于上述光源在第一個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)光，上述光檢測(cè)器在第二個(gè)波長(zhǎng)上檢測(cè)光，而上述光檢測(cè)器對(duì)從上述光源發(fā)出的上述第一個(gè)波長(zhǎng)的光實(shí)質(zhì)上是透明的。
5.如權(quán)利要求4中所述的雙向光鏈路，其進(jìn)一步的特征在于一個(gè)整體成形的折射透鏡被沉積在上述光檢測(cè)器上，用來(lái)將來(lái)自上述光源的光聚焦到上述光纖中。
6.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光鏈路，其特征在于其中所說(shuō)的第一個(gè)波長(zhǎng)是1.55微米，所說(shuō)的第二個(gè)波長(zhǎng)是1.3微米。
7.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光學(xué)鏈路，其特征在于其中一個(gè)全息光學(xué)元件被形成在上述光檢測(cè)器上，用來(lái)耦合從上述光源來(lái)的光。
8.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光鏈路，其特征在于其中所說(shuō)的光源是一個(gè)半導(dǎo)體激光器。
9.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光鏈路，其特征在于其中所說(shuō)的光檢測(cè)器是一個(gè)P-I-N光檢測(cè)器。
10.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光鏈路，其特征在于其中所說(shuō)的光檢測(cè)器是一個(gè)P-I-N二極管，該二極管具有四元素半導(dǎo)體材料的本征層，它被設(shè)計(jì)用來(lái)形成與大約1.4微米的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的帶隙。
11.如前面任一個(gè)權(quán)利要求中所述的雙向光鏈路，其特征在于其中所說(shuō)的光源是一個(gè)垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。
全文摘要
公開(kāi)的本發(fā)明是一個(gè)直列式雙向光纖鏈路,它在一個(gè)光波波長(zhǎng)上發(fā)射而在另一個(gè)光波波長(zhǎng)上接收。這個(gè)鏈路被預(yù)期是一個(gè)低成本收發(fā)機(jī)單元,作為許多在主收發(fā)機(jī)站和大量的終端用戶之間這類鏈路中的一種。例如,此設(shè)備可以作為低成本收發(fā)機(jī)用在FTTH應(yīng)用中,也可以是許多其他這樣的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)所希望的低成本收發(fā)機(jī)鏈路,PIN二極管被制成有一個(gè)In
文檔編號(hào)H04B10/06GK1185875SQ96194252
公開(kāi)日1998年6月24日 申請(qǐng)日期1996年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月31日
發(fā)明者R·B·維爾森 申請(qǐng)人:惠特克公司